Diseño de estrategias ajustadas en estación robotizada para el tratamiento con ondas de choque por láser

Este Proyecto Final de Carrera ha tenido como objetivo el desarrollo de un medio de control, que permita la adecuada explotación de un nuevo sistema de posicionamiento tridimensional basado en un brazo robótico. Este brazo se instaló en una celda del Centro Láser de la UPM como sustitución del sistema de posicionamiento bidimensional anterior. La sustitución del sistema de posicionamiento viene impuesta por la necesidad de ampliar los modelos de las probetas a tratar permitiendo que éstas tengan superficies no planas. El modo de trabajo del Centro Láser, en donde se realizan tratamientos sobre pequeñas tiradas, obliga a una continua reprogramación del sistema para adaptarlo a las nuevas piezas. El programa de control debe reducir la complejidad en la puesta en marcha que conlleva el uso de nuevas probetas. Para facilitar su desarrollo y seguimiento se han seguido las recomendaciones del Project Management Institute (PMI) sobre la gestión de proyectos recogidas en el Project Management Body of Knowledge (PMBOK). La fase inicial se centró, en primer lugar, con la familiarización con la tecnología utilizada, en concreto con el procesamiento por ondas de choque generadas por láser o Laser Shock Processing (su realización, factores que intervienen, etc.). A continuación se focalizó la atención sobre el robot, su entorno de programación y el lenguaje de programación. Posteriormente se indagó sobre la forma en la que se realizaban los procesos con el anterior sistema de posicionamiento, qué tipos de probetas se utilizaban, con qué complejidades se encontraban y cómo las solventaban. De esta forma se obtuvo una visión adecuada del sistema con el que se ha de trabajar y se pudo orientar adecuadamente el sistema de control a la forma de trabajar del centro. De la información recogida se concluyó que la variedad de piezas a tratar era muy elevada, aunque la mayoría eran probetas de pequeño calibre. La superficie a tratar suele ser una zona más o menos amplia que puede realizarse bien en el centro de una probeta, o bien alrededor de una fisura o zona dañada. Por lo general se realiza un recorrido amplio alrededor de la zona a tratar por lo que no es determinante que la zona a tratar sea exactamente el punto central del tratamiento. El recorrido en la mayoría de los casos es similar, aunque no se descarta que, en función de la probeta a tratar se tenga que desarrollar un nuevo recorrido. El mayor problema reside en el sistema de agarre, ya que no se tiene definido uno en particular. Se fabrican con los elementos de los que disponen en función de la probeta. Con la información recogida el esfuerzo se centra en recrear en el simulador la celda de trabajo, de modo que se pueda realizar una programación off-line del sistema para posteriormente llevarlo a la realidad y validar su viabilidad. La modelización del sistema llevó no solo a la medición del entorno de trabajo. Se tuvo que simular todos los elementos que la componen, permitiendo que éstos tuviesen cierto grado de libertad para poder recrear las diferentes posiciones que pueden llegar a adoptar. Se modela el sistema con notación UML. Los desarrollos de las funciones se realizan con flujogramas clásicos. El desarrollo debe permitir añadir nuevos elementos al sistema (probetas, recorridos y adaptadores) de una forma sencilla. Dado que la programación del robot siempre se tiene que realizar desconectado del sistema para evitar dañarlo durante las pruebas, al final se debe pasar por un modelaje matemático de cualquier elemento que se quiera introducir. Para el modelaje se utilizan los datos extraídos de las herramientas de modelado 3D, para después, utilizando un programa de cálculo (Matlab), obtener una función que es la que posteriormente se implementa en el robot. La complejidad de la función debe mantener un equilibrio entre la precisión y la complejidad de cómputo. Con una función demasiado compleja se demoraría el movimiento del robot y no permitiría realizar el proceso adecuadamente. Tras las pruebas simuladas se carga el programa en el robot y se realizan pruebas reales. Aprovechando las sucesivas pruebas se remodela el entorno gráfico para adaptarlo al funcionamiento del personal del Centro Láser. El proceso de uso del sistema se encuentra con un escollo posterior: el flujo de agua como elemento confinante del proceso. El elemento confinante debe aparecer como una fina capa que recubre la superficie a tratar. Esta capa debe ser lo más homogénea y continua posible. En las probetas planas su posición es simple, se proyecta un chorro de agua en un punto ligeramente superior al punto de incidencia del láser, de esta forma se crea la capa confinante. A medida que se complica la geometría de la probeta se complica la posición del proyector de agua ya que las deformaciones de la superficie modifican la ruta y cantidad de agua que fluye en cada momento. En los sistemas más grandes el inyector de agua también es controlado por un brazo robótico mientras que en nuestro sistema es un inyector fijo, es decir, una vez posicionado no se mueve durante el proceso. La pruebas con geometrías curva simples únicamente se pudieron realizar de modo simulado. En las pruebas reales se utilizó una probeta plana para comprobar que el recorrido se ajustaba a lo modelado. Las pruebas reales se realizaron con una turbina de 103,68 mm de diámetro y una altura de 65,4 mm con 14 álabes. La complejidad de la probeta así como el modo en el que había que tratarla (el recorrido es un cordón alrededor de los álabes de la turbina con un margen mínimo de error en lugar de una zona amplia de tratamiento) hicieron necesaria un rediseño del programa. Las modificaciones del sistema permitieron que, al menos en simulación, el recorrido fuese adecuado. La implementación real tiene problemas adicionales a la inyección del agua ya que la velocidad a la que debe tratarse la turbina por el grosor de los álabes hace que el soporte del robot vibre. Como conclusión actual es que el sistema se puede utilizar para el tratamiento de probetas donde la velocidad de tratamiento sea relativamente baja (las pruebas son adecuadas para obtener una densidad de 238 puntos que son los que habitualmente se emplean en los tratamientos realizados por el Centro Láser). El aumento de la complejidad de las probetas y la velocidad del tratamiento dificulta su implementación real, por las condiciones del tratamiento (inyección de agua, vibraciones de los soportes). El sistema de control permite una explotación adecuada y sencilla del sistema además de facilitar la incorporación de nuevos elementos al mismo